CN103347281A - 一种无线网络自适应占空比多址抢占方法 - Google Patents

一种无线网络自适应占空比多址抢占方法 Download PDF

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Abstract

一种无线传感器网络自适应占空比多址抢占方法，该方法针对无线传感器网络中SMAC(Sensor Medium Access Control)采用固定占空比休眠机制，造成信道利用不均衡的问题。提出一种自适应占空比调整方法，用于改良CSMA/CA在固定时间进行休眠的机制。该方法通过预报的流量值实现对SMAC协议占空比的自适应控制。在宏观的工作周期尺度上采用流量预报获得理论占空比，实现“粗略预估调控”，在微观的休眠/侦听周期尺度上执行对占空比的“精微增量调控”。相比传统的固定占空比SMAC协议，本方法显著提高了网络的吞吐量并减少了包损率。

Description

一种无线网络自适应占空比多址抢占方法
技术领域
本发明涉及一种无线网络自适应占空比多址抢占方法，属于无线传感器网络技术领域。
背景技术
传统用于无线传感器网络的经典多址技术SMAC采用固定占空比，SMAC协议采用周期性侦听/休眠的低占空比工作方式，控制结点尽可能处于睡眠状态来降低结点能耗，结点大部分时间处于低功耗的睡眠状态，每个结点独立调度工作状态，周期性转入睡眠状态，在苏醒后侦听信道状态，判断是否需要发送或接收数据。因而不具有动态调节能力，网络上的数据流量并不均匀，流量大的时刻和流量小的时刻采用相同的占空比会造成信道利用率下降，进一步造成网络速率、时延等性能恶化，甚至造成通信中断；需要提出一种占空比随流量自适应调整的方法以解决上述问题。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种自适应占空比控制方法，解决了SMAC多址技术所不能克服的网络性能下降或通信中断问题，最大程度提升无线网络的信道利用率。
本发明的技术方案是：一种无线网络自适应占空比多址抢占方法，步骤如下：
1）将无线网络的整个工作过程分为等间隔的流量预报工作周期ΔT，保存过去若干个工作周期的流量，采用时间序列预报算法对未来一个工作周期的网络流量进行一步预报，获得流量预报值Tr；
2）定义占空比为
Figure BDA00003488613300011
其中ΔT为流量预报工作周期，C为信道码率，Tr为流量预报值；
3）每个流量预报工作周期ΔT被划分为L个等间隔的侦听/休眠周期Δt，即ΔT=L·Δt；定义步长
Figure BDA00003488613300021
其中最大占空比DCmax=1，最小占空比DCmin=DC；
4）本方法开始运行，占空比设置为初始值DC0=DCmin=Tr/(ΔT·C)；
5）在第一个流量预报工作周期ΔT内，根据逻辑链路子层中数据队列长度，确定并获得新的占空比；按照新的占空比确定第一个休眠/侦听周期Δt1，并执行第一个休眠/侦听周期Δt1内的调度；
6）进入下一个侦听/休眠周期，返回并重新执行步骤5），直至完成第一个流量预报工作周期ΔT内的全部侦听/休眠调度；
7）进入下一个流量预报工作周期ΔT，重新执行步骤1）至步骤7），直至完成全部流量预报工作周期ΔT内的侦听/休眠调度。
所述步骤5）中确定并获得新的占空比的具体方法为：若逻辑链路子层中数据队列长度大于0，则占空比增加一级DC=DC+Δdc，若逻辑链路子层中数据队列长度等于0，则占空比减少一级DC=DC-Δdc。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）本发明采用信号处理中的时间序列预报算法对数据流量进行预报，提前获得了未来时刻数据流量的预测值，从而达到“防患于未然”的效果；
（2）本发明使用预报的数据流量值，结合信道码率及预报周期，计算出理论占空比，及控制步长；
（3）本发明通过不断对占空比进行控制，控制目标为使得逻辑链路子层（LLC）的数据排队长度趋于最小值；
（4）本发明针对SMAC多址协议在信道利用率方面的不足，解决了结点侦听、休眠的占空比动态调整问题，提高了无线网络的信道利用率。
附图说明
图1为本发明控制抢占方法流程图。
具体实施方式
1.首先建立时间序列模型，执行时间序列预报算法：
（1）建立时间序列流量模型，顺次进行定阶，参数估计，假设检验后，正式确立时间序列模型为ARMA(2,1),具体表达式为：
Figure BDA00003488613300031
Xt--所采集的原始数据流量值，其中t为下标，按照流量预报工作周期ΔT递进；
Figure BDA00003488613300032
Figure BDA00003488613300033
θ1属于时序序列模型中的参数，以下步骤中需要通过参数估计得出；
at为白噪声序列，t为下标，按照流量预报工作周期ΔT递进；
ARMA为自回归滑动平均模型简称，属于时间序列理论中的经典模型。
（2）采用最小方差预报准则进行预报，获得一步预报递推关系如下式，使用该递推式进行一步预报，可获得数据流量的一步预报值；
Figure BDA00003488613300034
其中
Figure BDA00003488613300035
Figure BDA00003488613300036
Figure BDA00003488613300037
为参数估计得出的值。
2.网络流量采集，通过流量预报值确定占空比、控制步长，步骤如下：
（1）把无线网络的整个工作过程分为等间隔的工作周期，保存过去若干个工作周期的流量，采用时间序列预报算法对未来一个工作周期的网络流量进行一步预报，获得流量预报值Tr；
（2）定义占空比为其中ΔT为流量预报工作周期，C为信道码率，Tr为流量预报值；
（3）定义步长
Figure BDA00003488613300041
其中最大占空比DCmax=1，最小占空比DCmin=DC，占空比的初始值取理论计算值DC0=DCmin=Tr/(ΔT·C)；每个流量预报工作周期ΔT进一步被划分为L个等间隔的侦听/休眠周期Δt，即ΔT=L·Δt，大周期ΔT用于预报，而小周期Δt用于执行占空比增减微调；所述的侦听/休眠周期Δt内分为侦听、休眠两个阶段；
3.执行自适应占空比控制流程，如图1所示，步骤如下：
（1）本方法开始运行时把占空比设置为最小初始值DC0=Tr/(ΔT·C)；
（2）判断逻辑链路子层（LLC）中数据队列长度是否大于0，若数据队列是否大于0，则占空比增加一级DC=DC+Δdc，若数据队列长度等于0，则占空比减少一级DC=DC-Δdc，接着按照新的占空比执行休眠/侦听调度；
（3）进入下一个侦听/休眠周期，返回并重新执行步骤5），直至完成第一个流量预报工作周期ΔT内的全部侦听/休眠调度；
（4）进入下一个流量预报工作周期ΔT，重新执行步骤1）至步骤7），直至完成全部流量预报工作周期ΔT内的侦听/休眠调度。
本发明中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种无线网络自适应占空比多址抢占方法，其特征在于如下步骤：
1）将无线网络的整个工作过程分为等间隔的流量预报工作周期ΔT，保存过去若干个工作周期的流量，采用时间序列预报算法对未来一个工作周期的网络流量进行一步预报，获得流量预报值Tr；
2）定义占空比为
Figure FDA00003488613200011
其中ΔT为流量预报工作周期，C为信道码率，Tr为流量预报值；
3）每个流量预报工作周期ΔT被划分为L个等间隔的侦听/休眠周期Δt，即ΔT=L·Δt；定义步长
Figure FDA00003488613200012
其中最大占空比DCmax=1，最小占空比DCmin=DC；
4）本方法开始运行，占空比设置为初始值DC0=DCmin=Tr/(ΔT·C)；
5）在第一个流量预报工作周期ΔT内，根据逻辑链路子层中数据队列长度，确定并获得新的占空比；按照新的占空比确定第一个休眠/侦听周期Δt1，并执行第一个休眠/侦听周期Δt1内的调度；
6）进入下一个侦听/休眠周期，返回并重新执行步骤5），直至完成第一个流量预报工作周期ΔT内的全部侦听/休眠调度；
7）进入下一个流量预报工作周期ΔT，重新执行步骤1）至步骤7），直至完成全部流量预报工作周期ΔT内的侦听/休眠调度。
2.根据权利要求1所述的一种无线网络自适应占空比多址抢占方法，其特征在于：所述步骤5）中确定并获得新的占空比的具体方法为：若逻辑链路子层中数据队列长度大于0，则占空比增加一级DC=DC+Δdc，若逻辑链路子层中数据队列长度等于0，则占空比减少一级DC=DC-Δdc。
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